[發明專利]錳酸鋅/氧化鐵鋰離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201711469400.7
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108110250B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 卑鳳利;儲海蓉;陳均青;朱律忠;陳俊輝;余毛省
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種錳酸鋅/氧化鐵鋰離子電池負極材料及其制備方法，所述負極材料由錳酸鋅和氧化鐵復合而成，其中，氧化鐵與錳酸鋅的質量比為1:20～1:10，所述方法將錳酸鋅的前驅體溶液與氧化鐵混合，利用混合溶劑熱法制備錳酸鋅和氧化鐵的復合材料。本發明方法工藝簡單，成本低，產量大，易于控制，制備的錳酸鋅/氧化鐵復合材料比容量優異、循環性能及倍率性能好，作為鋰離子電池負極材料具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及錳酸鋅/氧化鐵復合材料及其制備方法，屬于化學電源技術領域。

背景技術

環境污染和能源危機是二十一世紀人類面臨的兩大難題，人們一直致力于新能源的開發利用。鋰離子電池具有安全性好，使用壽命長、環境友好等優點，因此已被廣泛應用于生活的各個方面，如：手機、電腦、電動汽車等等。然而，隨著社會的不斷發展，人們不斷追求更高的比容量、更長的循環壽命、更好的安全性能的鋰離子電池，因此需要開發更好的電極材料。如今，商用鋰離子電池負極材料石墨，其理論比容量只有372mAh g^-1,難以滿足人們對更高容量的需求。在尋求高比容量的過程中，過渡金屬氧化物成為研究熱點。

ZnMn₂O₄作為一種錳基復合金屬氧化物，具有錳類金屬氧化物固有優點的同時，又由于加入了Zn，導致彼此間電極電勢不同，在充放電循環過程中，能夠相互協同互為緩沖組分，進而有效改善原有的循環性能。ZnMn₂O₄具有原料來源廣、制備成本低、安全無毒、可逆理論比容量高等優點。其理論可逆容量高達784mAh/g，是常用的碳材料負極的兩倍多。當然，ZnMn₂O₄也存在著一些缺點，如在充放電過程中，材料體積變化大，結構可能塌陷，而且材料容易發生粉化而從集流體上脫落，這些都會導致循環性能變差。

納米Fe₂O₃由于其較高的理論容量(1007mAh/g),成本低，自然資源豐富，環境友好被認為是下一代鋰電池極具前景的負極材料。但是，Fe₂O₃由于一個大的不可逆容量衰減以及大電流下充放電效率低阻礙了在鋰電池陽極的商業應用。此外，在鋰離子嵌入和抽出過程中伴隨著嚴重的顆粒團聚以及大體積膨脹/收縮，可能導致電極粉碎、顆粒間接觸損耗和不穩定SEI膜的形成。

納米復合材料比單一納米材料的性能優異，通過納米材料的包覆改性，一定程度上改善了單一材料體積變化大，結構塌陷，不可逆容量損失大等缺點。Yao等人用乙酸錳和乙酸鋅作為錳源和鋅源，采用油浴法170℃，加熱回流2h得到MWCTN/ZnMn₂O₄,方法簡單，反應時間短，但電化學性能表現不佳，初始比容量僅為1092mAh/g(YaoW,et al.Chemicallyintegratedmultiwalled carbon anotubes/zinc manganate nanocrystals asultralong-life anode materials forlithium-ion batteries[J].ACSSustainableChem.Eng,2015)。A.V.Radhamani等人采用靜電紡絲法制備納米纖維Mn₂O₃包覆尖晶石ZnMn₂O₄,利用電噴技術在30kV高電壓下將錳酸鋅的前驅體噴射至不銹鋼箔表面，將纖維狀前驅體經過高溫焙燒后得到Mn₂O₃/ZnMn₂O₄復合材料電化學行為測試顯示，具有良好的電化學穩定性，但是制備工藝較復雜，對設備要求較高(A.V.Radhamani,etal.Tailoring the supercapacitance of Mn₂O₃nanofibers by nanocompositing withspinel-ZnMn₂O₄[J].Materials&Design,2018)。